다각형 공진기가 Q값에 미치는 영향 분석

2013-08-09 2022-09-23 miyahara

Research

2013-08-09

고Q값 미세광 공진기 최적화를 위해!

미세 광공진기에서 더 나은 성능의 광 포획을 실현하기 위해, 광공진기를 더 작은 광흡수 결정 재료를 사용하여 광공진기를 제작하는 것이 주목받고 있습니다. 타나베 연구실에서는 레이저 용융 페데스탈법이라는 결정 성장 기술을 이용하여 직접 광공진기를 제작하는 방법을 개발했지만, 단면 형상이 다각형이 되어 버리는 것이 밝혀졌습니다. 이번에 타나베 연구실에서는 다각형 공진기에 존재하는 모드의 Q값이 원형에서 육각형이 됨에 따라 어떻게 변화하는지를 분석하여 더 높은 Q값을 얻기 위한 가이드라인을 밝혔습니다. 우리는 perturbed-whispering gallery mode (WGM)과 quasi-WGM의 두 가지 모드에 주목하였다(Fig. 1(a) 및 (b)) Perturbed-WGM은 공진기 측면을 따라 전반사하면서 공진기의 측면을 따라 궤도를 도는 모드이고, quasi-WGM은 다각형의 각 면으로 전 반사하는 모드입니다.
이 두 가지 모드에 대해 6각형 공진기 모서리의 곡률 반경 r을 파라미터로 하여 해석을 실시하였다.

그림 1 (a) 속삭이는 갤러리 모드 (b) 준 속삭이는 갤러리 모드.

각의 둥근 정도를 변화시키면 perturbed-WGM과 quasi-WGM의 공진 파장이 변화하지만, 변화율이 다르기 때문에 두 가지 모드가 r=17.7 μm 부근에서 교차한다(Fig. 2(a)). 교차점을 확대하면(Fig. 2(b)), 두 개의 스펙트럼 피크가 반교차(anti-crossing)하는 것을 알 수 있는데, 이는 두 모드가 강하게 결합되어 있음을 나타낸다.

Fig. 2. (a) 모서리 진원도(모서리 곡률반경)를 변화시켰을 때 중심주파수 변화.
(b) Perturbed-WGM과 Quai-WGM의 교차 부분 확대도, 두 모드 간격은 29GHz이다.

이 강한 결합이 두 모드의 Q값의 독립적인 존재를 제한하고 있음을 새롭게 발견했다. 그 결과가 Fig. 3의 각 곡률 반경과 Q값의 그래프이다. 본래 r에 둔감할 것으로 예상되는 Quasi-WGM에서도 두 개의 (실제로는 무수히 많은 모드의 결합이 존재하는) 모드의 결합으로 공진기가 다각형 구조화되면 perturbed-WGM과 유사한 Q값의 감소를 보이는 것을 알 수 있었다.

그림 3: Perturbed-WGM과 quasi-WGM의 코너 곡률 반경에 대한 Q값.

다각형 구조에서도 높은 Q값 모드가 존재할 수 있는지 조사하여, 높은 Q값을 얻기 위해서는 본질적으로 공진기 구조를 원형으로 만들어야 한다는 것을 알 수 있었습니다. 이에 우리는 원형으로 결정이 성장 가능한 결정축을 얻기 위한 예열 방법을 개발하여 양호한 원형 형상을 얻어 Q값을 향상시키는데도 성공하였다.

본 연구의 일부는 전략정보통신연구개발촉진제도(SCOPE)의 위탁연구로 수행되었습니다. 또한, 과학기술연구비(2560018) 및 게이오대학교 차세대연구프로젝트추진프로그램의 재정적 지원을 받았습니다. 본 연구 결과는 Physical Review A 88, 023807 (2013)에 게재되었습니다.